ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Общие сведения о высокомолекулярных веществах

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества структурных звеньев, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромолекул.

К природным полимерам, используемым в строительстве, относятся древесина, белковые продукты, боенская кровь, хлопок, шерсть, кожа, каучук ид р.

К настоящему времени появилось огромное количество полимерных материалов – пластических масс, синтетических каучуков и волокон, подавляющее большинство которых обладает лучшими эксплуатационными качествами по сравнению с природными полимерами.

Все более крупным потребителем таких материалов становится строительство. Использование полимерных материалов позволяет резко расширить ассортимент и улучшить качество строительных материалов. В строительстве широко применяются поливинилхлоридный линолеум, полистирольные облицовочные плитки, слоистые пластики, моющиеся обои для внутренней отделки зданий, тепло- и звукоизоляционные перегородки из вспененных пластмасс, дверные и оконные рамы, санитарно-техническое оборудование, трубопроводы и мебель из полимерных материалов и т.д.

Подавляющее большинство полимеров – искусственные. Их получают с помощью синтеза простых низкомолекулярных веществ, называемых мономерами. По составу основной цепи макромолекул органические полимеры разделяются на карбоцепные, гетероцепные и элементоорганические.

Карбоцепные полимеры характеризуются тем, что их молекулярные цепи целиком состоят из атомов углерода:

Гетероцепные полимеры имеют в составе цепей кроме атомов углерода еще и некоторые другие атомы элементов – кислорода, серы, азота, фосфора, или других:

Элементоорганические полимеры могут содержать в основной цепи атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, не входящих в состав обычных органических соединений, например:

По строению макромолекул органические полимеры могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми (трехмерными).

При линейном строении все молекулы вытянуты в виде цепей, в которых атомы мономера, являющиеся исходным низкомолекулярным соединением, химически связаны между собой. Разветвленные макромолекулы характерны наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (пространственные) молекулы характеризуются химической «сшивкой» отдельных линейных или разветвленных цепей полимера поперечными связями.

Полимеры с высокой степенью полимеризации называются высокополимерами, а с небольшой – олигомерами.

По отношению к воздействию тепла высокомолекулярные соединения делят на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры способны размягчаться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении, сохраняя все свойства: растворимость, плавкость и т.д. Термореактивные полимеры при повышении температуры сначала становятся пластичными, но затем, затвердевая (под влиянием катализаторов или отвердителей), переходят в неплавкое и нерастворимое состояние.

В зависимости от способа получения полимеры разделяют на две группы: полимеризационные (термопласты) и поликонденсационные(реактопласты).

Реакции соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, т.е. не приводящая к изменению элементного состава мономера, называется полимеризацией.

Примеры реакции полимеризации:

В полимеризации могут участвовать два и более мономеров, тогда её называют сополимеризацией, а продукт – сополимером.

Поликонденсация – процесс образования полимеров путем химического взаимодействия молекул мономеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (воды, хлороводорода), аммиака, спирта и др.).

Пример реакции поликонденсации:

H₂N ─ R ─ COOH ↔ H ─ [─ NH ─ R ─ CO ─]_n ─ OH + (n-1)H₂O

                   аминокислоты                полиамиды

Отдельные представители высокомолекулярных соединений

И их применение в современной строительной индустрии

Полимеризационные полимеры

К важнейшим полимеризационным полимерам (термопластам) следует отнести полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилхлорид, полистирол, полиакрилаты и др.

Полиэтилен[─CH₂─CH₂─]_n – продукт полимеризации этилена. Выпускается в виде гранул размером 3-4 мм или белого порошка.

Исходным мономером для полимеризации является этилен CH₂ = CH₂, получаемый чаще всего при термической обработке нефти. В настоящее время промышленность использует следующие методы полимеризации этилена: полимеризация при высоком давлении (до 300 МПа) в присутствии кислорода; при среднем давлении (3,5 - 7,0 МПа) – в углеродистых растворителях с окисно-металлическими катализаторами; при атмосферном и очень малом давлении (0,5 – 3 МПа) с металлорганическими катализаторами.

Полимеризация этилена при высоком давлении производится в трубчатых реакторах и отличается сложностью технологического оборудования. Полиэтилен высокого давления – химически стойкий продукт плотностью 0,95 г/см³ и с повышенной эластичностью, что объясняется наличием в нем 45% аморфной фазы.

Производство полиэтилена при среднем давлении основано на полимеризации этилена в растворе. Этот метод производства полиэтилена в нашей стране широкого распространения не нашел.

При получении полиэтилена низкого давления не требуется сложного компрессорного хозяйства. При низком давлении полиэтилен получают полимеризацией этилена в растворе (бензине) непрерывным методом при давлении 0,15 – 0,5 МПа и температуре до 80 ^оС в присутствии катализатора Циглера – Натта (комплексные металлорганические соединения).

Полиэтилен низкого давления имеет значительные теплостойкость, плотность и жесткость. Основным отличием полиэтилена низкого давления является его кристалличность, в результате чего – меньшие эластичность, прозрачность и большая твердость. Будучи термопластичным насыщенным полимерным углеводородом, полиэтилен имеет строение молекулы в виде плоского зигзага с периодом идентичности 0,254.

Полиэтилен хорошо поддается механической обработке, стоек против агрессивного действия воды, соляных растворов, щелочей, кислот (кроме азотной). При нормальной температуре он нерастворим в органических растворителях и только при нагревании поддается растворению в ароматических углеводородах.

Полиэтилен применяют для производства труб, пленок, гидроизоляционных материалов, тары и предметов сантехнического оборудования. Порошкообразный полиэтилен используют для антикоррозионной защиты металлов.

Полистирол (поливинилбензол) [─CH₂─CH(C₆H₅)─]_n – твердый продукт полимеризации мономера – стирола. Его выпускают в виде прозрачных листов, гранул (блочный полистирол), бисера или белого порошка (эмульсионный полистирол). Макромолекула его имеет полидисперсную разветвленную структуру. Сырьем для производства полистирола служит стирол C₆H₅CH=CH₂ - бесцветная легко воспламеняющаяся жидкость, содержащаяся в некоторых фракциях каменноугольной смолы или вырабатываемая из бензола и этилена. Стирол легко полимеризуется под действием солнечного света и теплоты. В производственных условиях стирол полимеризуют при температуре 80 ^оС в присутствии перекисных соединений (перекиси водорода и перекиси бензоила). Стоек к действию кислот и щелочей, но хрупок и имеет невысокую теплостойкость.

Из полистирола изготавливают гидроизоляционные пленки, облицовочные плиты, водопроводные трубы, теплоизоляционные материалы, различную тару, изделия для электропромышленности. Пенополистирол является наполнителем многослойных панелей, хорошим теплоизолятором.

Полипропилен [─CH₂─CHCH₃─]_n – продукт полимеризации пропилена CH₃─CH═CH₂ в растворителе (бензин, пропан и др.). Сырьем для получения полипропилена служит бесцветный газ пропилен, выделяющийся при крекинге нефти. Полимеризация пропилена ведется обычно при избыточном давлении 4 МПа и температуре 70 ^оС. Пропилен хорошо сопротивляется воздействию органических растворителей и имеет ряд других положительных свойств. К недостаткам полипропилена следует отнести его малую атмосферостойкость. При воздействии солнечных лучей он подвергается деструкции с заметным ухудшением первоначальных физико-механических свойств. Является перспективным полимером для производства труб, пленок и других изделий, используемых в строительстве при изготовлении бассейнов, пластиковых лестниц и других конструкций.

Полиизобутилен [─CH₂─C(CH₃)₂─]_n – продукт полимеризации изобутилена CH₂═C(CH₃)₂, полимер без запаха и цвета. В процессе производства полиизобутилена полимеризация осуществляется при пониженных температурах (-110 ^оС), что достигается отводом теплоты с помощью хладагентов и разбавителей, добавляемых в реакционную смесь.

Полиизобутилен легок (плотность 0,91 г/см3) и стоек к действию агрессивных сред. Полиизобутилен в виде листов и пленок применяют в качестве хорошего гидроизоляционного материала.

Поливинилхлорид[─CH₂─CHCl─] – продукт полимеризации хлористого винила CH₂=CHCl. Выпускается в виде порошка без запаха и вкуса с размером зерен от 0,01 до 0,1 мм.

Сырьем для получения поливинилхлорида служит хлористый винил (винилхлорид) – при атмосферном давлении газ с эфирным запахом. Его получают из ацетилена или дихлорэтана. В результате полимеризации винилхлорида образуется полимер, молекула которого имеет линейное строение.

Поливинилхлорид обладает относительно высокой ударной вязкостью, прочностью при разрыве, устойчивостью к воздействию щелочных и кислых растворов, а также высокие диэлектрические свойства.

Изделия на основе поливинилхлорида (трубы, плитки) легко свариваются в струе горячего воздуха при температуре 200 ^оС.

Недостаток поливинилхлорида – сравнительно низкая температура размягчения (70 ^оС). При нагревании этого полимера до 140 – 150 ^оС начинается его разложение с выделением хлороводорода, каталитически ускоряющего процесс разложения.

На основе поливинилхлорида изготавливают синтетические линолеумы, плитки для пола, линкруст, трубы, газонаполненные пластмассы, строительные профили для окон (оконные переплеты) и двери, облицовочные панели типа «Сайдинг» - методом экструзии. Пластифицированный поливинилхлорид широко используют для получения гидроизоляционных и упаковочных пленок; хлорированный поливинилхлорид с содержанием 60-80% хлора (перхлорвинил) применяют для получения стойких лаков и фасадных красок.

Поливинилацетат [─CH₂─CH(OCOCH₃)─]_n – продукт цепной полимеризации винилацетата CH₃─COOCH=CH₂, сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта. Поливинилацетатные полимеры (ПВА) применяют в виде водных эмульсий для устройства бесшовных полов и изготовления лакокрасочных материалов. Они эластичны, светостойки и хорошо прилипают к поверхности различных материалов.

Инден-кумароновые полимеры– продукты полимеризации соединений – инден-кумарона и их гомологов, содержащихся в сыром бензоле и фенольной фракции каменноугольной смолы.

Инден-кумароновые полимеры применяют для производства асбестоцементных плиток для настила полов, цветного асфальтобетона и латексов для водонепроницаемых покрытий. Эти полимеры могут быть использованы и в качестве связующего или клеящего вещества при изготовлении линолеума и масляных красок и лаков.

Полиметилметакрилат(органическое стекло, плексиглас) [─CH₂─C(СH₃)(COOCH₃)─]_n – продукт полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Он представляет собой совершенно прозрачный полимер в виде листов, блоков и прессовочных порошков.

Сырьем для производства органического стекла служит метилметакрилат, синтезируемый из ацетона путем сложной химической переработки.

Изделия из органического стекла имеют относительно высокую прочность при сжатии, растяжении и изгибе, а также значительную ударную вязкость. Полиметилметакрилат легко поддается механической обработке (резанию, шлифованию и полировке) и почти не снижает своих свойств при пониженных температурах. Он отличается исключительной прозрачностью и способностью пропускать до 74% ультрафиолетовых лучей. Но при соприкосновении с огнем полимер горит, не стоек в агрессивных средах, легко растворяется в ряде органических растворителей (ацетон, уксусная кислота и др.). Высокая стоимость и недостаточная абразивостойкость полиметилметакрилата ограничивают его применение в строительстве.

Применяют для остекления зданий специального назначения, витрин магазинов, веранд, оранжерей, больниц, для изготовления светильников, фонарей производственных цехов и т.п. Оргстекло можно получать окрашенным в различные цвета, прозрачным и непрозрачным.

Натуральный каучук (НК) – природный ненасыщенный полимер (С₅H₈)_n, содержащийся в млечном соке тропических деревьев (гевеи бразильской и др.), растениях (кок-сагыз, тау-сагыз, гваюла).

Синтетические каучуки – эластичные продукты цепной полимеризации различных углеводородных мономеров:

изопрена CH₂═C(CH₃)─CH═CH₂,

дивинила (бутадиена-1,3) CH₂═C─CH═CH₂,

 хлорпрена CH₂═C(Cl)─CH═CH₂ и др.

Изопрен представляет собой газ, переходящий при температуре -35 ^оС в бесцветную жидкость. Его получают в промышленном масштабе путем взаимодействия изобутилена с формальдегидом.

Дивинил – бесцветный газ, подобно изопрену, относится к соединениям с двойными связями и имеет наибольшее применение в производстве строительных каучуков. В промышленности его получают из этилового спирта, бутана и ацетальдегида.

Хлорпрен – бесцветная жидкость, синтезируемая из ацетилена и хлороводорода.

В зависимости от исходного мономера в процессе полимеризации получают различные виды синтетических каучуков – изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, хлорпреновые и др.

В группе изопреновых каучуков (СКИ) выделим бутилкаучук. Он представляет собой продукт полимеризации изобутилена с малым количеством (1-5%) изопрена и является важнейшим видом синтетического каучука. Бутилкаучук отличается высокой морозостойкостью, эластичностью, водостойкостью, стойкостью к действию кислорода и сильных кислот. Изопреновые каучуки по химическому составу и структуре молекул весьма близки натуральному каучуку. Полиизопреновые каучуки обладают высокими прочностными показателями при растяжении, эластичностью при статических и динамических нагрузках, а также высокой стойкостью при нагревании и окислении.

Бутадиеновый каучук (СКБ) наиболее распространен. Получают полимеризацией бутадиена-1,3 (дивинила) с применением пероксидных катализаторов:

R• + CH₂═CH─CH═CH₂ → R─ CH₂─CH═CH─CH₂•

→ R─ CH₂─CH═CH─CH₂─ CH₂─CH═CH─CH₂• и т.д.

В результате получают поливиниловый каучук. Он является первым в мире синтетическим каучуком. В настоящее время промышленность выпускает полидивиниловый (СКД), бутадиен-стирольный (СКС), бутадиен-нитрильный и др. По эластичности эти каучуки близки к натуральным каучукам, но превосходят их по теплостойкости и стойкости к истиранию.

Хлорпреновыекаучуки получают в процессе эмульсионной полимеризации хлорпрена, обладающего высокой полимеризационной активностью благодаря наличию в нем атома хлора. В нашей стране хлорпреновые каучуки выпускают различных марок под общим названием – наириты. Эти каучуки имеют высокую клейкость, стойкость против воздействия кислорода, света, кислот и щелочей. Они обладают повышенной газонепроницаемостью, огнестойкостью (обугливаются, но не горят), низкой растворимостью и набухаемостью в растворителях. Однако хлорпреновые каучуки склонны к повышенной кристаллизации при нормальной (комнатной) температуре и имеют малую морозостойкость.

В строительстве синтетические каучуки применяют для производства различных клеев и мастик (битумно-кумароно-каучуковые, кумароно-каучуковые и др.). Их используют также для модификации различных полимеров с целью повышения их упругих свойств. Синтетические каучуки применяют для изготовления герметиков и герметизации швов между панелями при крупнопанельном домостроении; при изготовлении пластобетонов и растворов; для получения различного вида резин.